Mémoire vive magnétorésistive à haute densité de courant

Abstract

 La mémoire comporte, sur un substrat semiconducteur (1), une matrice de cellules (2) agencées en lignes (3) et en colonnes (4) et destinées chacune à stocker un bit d'information. Chaque cellule (2b) d'une colonne (4b) comporte une jonction tunnel magnétique ayant une borne de ligne et une borne de colonne reliées respectivement à un conducteur de ligne (5) et, par l'intermédiaire d'un transistor, à un premier conducteur de colonne (6ab) associé à ladite colonne (4b) et à une première colonne adjacente (4a). Une grille du transistor est connectée à un conducteur de grille (7b). La borne de colonne de chaque jonction tunnel de ladite colonne (4b) est connectée, par l'intermédiaire d'un transistor supplémentaire, à un second conducteur de colonne (8bc) associé à ladite colonne (4b) et à une seconde colonne adjacente (4c). Une grille du transistor supplémentaire est connectée à un conducteur de grille supplémentaire (15b). Les deux transistors associés à une cellule (2) peuvent avoir une électrode commune.

Description

Domaine technique de l'invention

[0001] L'invention concerne une mémoire vive magnétorésistive comportant, sur un substrat semiconducteur, une matrice de cellules agencées en lignes et en colonnes et destinées chacune à stocker un bit d'information, chaque cellule d'une colonne comportant une jonction tunnel magnétique ayant une borne de ligne et une borne de colonne reliées respectivement à un conducteur de ligne et, par l'intermédiaire d'un transistor, muni d'une grille et de première et seconde électrodes, à un premier conducteur de colonne, associé à ladite colonne et à une première colonne adjacente, la grille du transistor étant connectée à un conducteur de grille.

État de la technique

[0002] Sur les figures 1 et 2, une mémoire vive magnétorésistive comporte une matrice de cellules 2, disposées sur un substrat semiconducteur 1, agencées en lignes 3 et en colonnes 4a à 4d et destinées chacune à stocker un bit d'information. Chaque cellule d'une mémoire vive magnétorésistive comporte une jonction tunnel magnétique dont la résistance électrique est représentative de l'information à stocker.

[0003] Chaque jonction tunnel magnétique a une borne de ligne et une borne de colonne reliées respectivement à un conducteur de ligne 5 correspondant et, typiquement par l'intermédiaire d'un transistor, à un premier conducteur de colonne (6ab, 6cd) correspondant. Sur la figure 1, un conducteur de colonne 6ab est associé aux colonnes adjacentes 4a et 4b. De même, le conducteur de colonne 6cd est associé aux colonnes 4c et 4d. Ainsi, chaque paire de colonnes adjacentes est associée à un conducteur de colonne (6ab, 6cd) commun, tandis que chaque ligne est associée à un conducteur de ligne 5 correspondant.

[0004] Chaque transistor est classiquement muni, d'une première et d'une seconde électrode, reliées respectivement à la borne de colonne de la jonction tunnel correspondante et au conducteur de colonne 6 correspondant, ainsi que d'une grille constituant une électrode de commande. Les grilles des transistors d'une colonne (4a, 4b, 4c ou 4d) de cellules 2 sont connectées à un conducteur de grille (7a, 7b, 7c ou 7d) associé à la colonne (4a, 4b, 4c ou 4d). Ainsi, en appliquant des tensions électriques appropriées aux conducteurs de colonne 6, aux conducteurs de ligne 5 et aux conducteurs de grille 7, une jonction peut être sélectionnée et sa résistance peut être déterminée en fonction des tensions appliquées et du courant parcourant la jonction.

[0005] Pour certaines jonctions tunnel magnétiques, la densité de courant électrique parcourant la jonction peut atteindre une valeur de l'ordre de 10⁷A/cm², notamment dans le cas de méthodes d'écriture d'informations basées sur des effets thermiques et/ou des effets d'injection de spin. La densité de courant dépend des matériaux et des épaisseurs des électrodes d'une jonction. Les densités de courant élevées donnent lieu à des valeurs de courant absolues également élevées. Les transistors doivent être conçus pour pouvoir supporter de tels courants et limitent ainsi la miniaturisation de la mémoire, pour un courant donné.

Objet de l'invention

[0006] L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, en particulier, de réaliser une mémoire vive magnétorésistive de taille réduite.

[0007] Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que la borne de colonne de chaque jonction tunnel d'une colonne est connectée, par l'intermédiaire d'un transistor supplémentaire, muni d'une grille et de première et seconde électrodes, à un second conducteur de colonne, la grille du transistor supplémentaire étant connectée à un conducteur de grille supplémentaire.

Description sommaire des dessins

[0008] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :

La figure 1 illustre schématiquement une mémoire vive magnétorésistive selon l'art antérieur.

La figure 2 représente, en coupe selon l'axe A-A, la mémoire selon la figure 1.

La figure 3 illustre, en une vue de dessus, un mode de réalisation particulier d'une mémoire vive magnétorésistive selon l'invention.

La figure 4 représente, en coupe selon l'axe B-B, la mémoire selon la figure 3.

Les figures 5 et 6 représentent, en coupe, deux autres modes de réalisation particuliers d'une mémoire vive magnétorésistive selon l'invention.

Description de modes particuliers de réalisation

[0009] La mémoire vive magnétorésistive représentée sur les figures 3 et 4 comporte non seulement des premiers conducteurs de colonne 6ab et 6cd mais, également, des seconds conducteurs de colonne 8a 8bc et 8d. La borne de colonne 9b de chaque jonction tunnel 10b de la colonne 4b est alors connectée, par l'intermédiaire d'un transistor 16b, au premier conducteur de colonne 6ab et, par l'intermédiaire d'un transistor supplémentaire 11b, au second conducteur de colonne 8bc. Le second conducteur de colonne 8bc est associé à la fois à la colonne 4b et à une seconde colonne adjacente, notamment la colonne 4c. Le transistor supplémentaire 11b est muni d'une grille 12b et de première 13b et seconde 14b électrodes. La grille 12b du transistor supplémentaire 11b est connectée à un conducteur de grille supplémentaire 15b. Ainsi, chaque cellule 2 est reliée par l'intermédiaire de deux transistors 11 et 16, à un premier 6 et à un second 8 conducteur de colonne. Les conducteurs de grille 7 et 15 sont, de préférence, parallèles aux conducteurs de colonne 6 et 8. Chaque second conducteur de colonne 8bc associé à une colonne centrale 4b, c'est-à-dire non située aux extrémités, est associé à une autre colonne 4c adjacente.

[0010] Ainsi, un courant électrique traversant la jonction tunnel 10b est divisé en deux fractions, parcourant respectivement le transistor supplémentaire 11b et le transistor 16b. Chaque fraction de courant étant nettement inférieure au courant traversant la jonction 10b, les transistors 11b et 16b peuvent être de taille nettement inférieure aux transistors utilisés dans une mémoire selon l'art antérieur. Par exemple, la dimension d'un transistor suivant un axe Y, parallèle aux conducteurs de colonne, peut être réduite de sensiblement 50% et, ainsi le nombre de cellules 2 peut être sensiblement doublé par unité de longueur de colonne suivant l'axe Y. Les transistors supplémentaires 11, les seconds conducteurs de colonne 8 et les conducteurs de grille supplémentaires 15 nécessitent une augmentation de l'ordre de 20% de la dimension de la mémoire suivant un axe X, perpendiculaire à l'axe Y dans le plan du substrat 1, en appliquant des règles de conception actuelles d'une technologie CMOS-0,18µm. Ainsi, la surface moyenne d'une cellule 2 de stockage peut être réduite à 60% de la surface d'une cellule d'une mémoire selon l'art antérieur.

[0011] Un dispositif de commande, non représenté, de type classique, permet d'activer indépendamment les deux transistors 11b et 16b associés à une cellule 2b. Par exemple, lorsque le courant traversant la jonction 10b est inférieur au courant de saturation d'un transistor 11b ou 16b, un seul de ces transistors (11b ou 16b) peut être suffisant.

[0012] Sur les figures 3 et 4, la borne de colonne 9d de chaque jonction tunnel 10d de la colonne d'extrémité 4d est connectée, par l'intermédiaire d'un transistor supplémentaire 11d au second conducteur de colonne 8d qui est uniquement associé à la colonne 4d. La grille 12d du transistor supplémentaire 11d est connectée à un conducteur de grille supplémentaire 15d. Une configuration analogue s'applique pour la colonne d'extrémité 4a, comme représenté aux figures 3 et 4.

[0013] Les deux transistors 11b et 16b associés à une même cellule 2b ont, de préférence, une première électrode 13b commune, comme représenté à la figure 4.

[0014] De manière analogue, les deux transistors adjacents 11b et 16c associés respectivement à deux cellules adjacentes 2b et 2c d'une ligne 3 de cellules 2 ont, de préférence, une seconde électrode 14b commune. Comme représenté aux figures 3 et 4, le conducteur de colonne 8bc correspondant intègre, de préférence, la colonne de secondes électrodes 14b communes. Les premières 13 et secondes 14 électrodes peuvent respectivement être le drain et la source des transistors ou vice-versa.

[0015] Les jonctions tunnel magnétiques 10 sont, de préférence, connectées aux conducteurs de ligne 5 correspondants et aux transistors 11 et 16 associés par l'intermédiaire d'interconnexions 17 et de couches métalliques 18. Afin d'augmenter la température de la jonction tunnel 10 dans le cas d'une étape d'écriture assistée thermiquement, les interconnexions 17 peuvent comporter une ou plusieurs couches, disposées près de la jonction tunnel 10 et constituées par un matériau ayant une conductivité thermique faible, c'est-à-dire inférieure à 5W/mK, ce qui permet de confiner la chaleur dissipée dans la cellule. La couche de matériau ayant une conductivité thermique faible a, de préférence, une résistivité électrique faible, inférieure à 100µΩm, de manière à ce qu'elle représente une faible résistance en série avec la résistance de la jonction tunnel 10.

[0016] L'écriture d'informations dans la mémoire représentée aux figures 3 et 4 peut être effectuée par injection de spin. Ainsi, l'écriture est basée sur la direction du courant électrique parcourant une cellule pendant l'écriture. Cette technique présente l'avantage de ne pas nécessiter de conducteurs encombrants supplémentaires. Ainsi, comme représenté sur la figure 4, la jonction tunnel magnétique 10b d'une cellule 2b, la première électrode 13b, les interconnexions 17 et les couches métalliques 18 associées à la cellule 2b sont, de préférence, alignées selon un axe Z perpendiculaire au substrat 1.

[0017] Sur les figures 5 et 6, la mémoire comporte une pluralité de conducteurs de courant 19 parallèles, isolés électriquement des jonctions tunnel magnétiques 10, associés chacun à une colonne 4 de cellules 2 et disposés de manière à pouvoir créer un champ magnétique à l'emplacement des jonctions tunnel magnétiques 10 des cellules 2 de la colonne 4 associée. Les conducteurs de courant 19 comportent, de préférence, un revêtement ferromagnétique 20, par exemple un matériau magnétique doux comme un alliage de nickel et de fer comportant 80% de nickel et 20% de fer. Cet alliage a une perméabilité magnétique élevée et une anisotropie magnétique faible, alignée, de préférence, selon l'axe longitudinal du conducteur de courant 19. Le revêtement ferromagnétique 20 couvre au moins une face du conducteur de courant 19 opposée à la face en regard de la jonction 10, comme représenté à la figure 5. Sur la figure 6, le revêtement recouvre également les faces latérales du conducteur de courant 19. Le revêtement 20 permet de focaliser les lignes de champ magnétique en direction de la jonction tunnel 10, créant ainsi le même champ que pour un conducteur non recouvert, mais avec un courant moindre.

[0018] Lors de l'écriture d'informations dans les mémoires représentées aux figures 5 et 6, un courant parcourant un conducteur de courant 19 créé un champ magnétique permettant de définir un état d'aimantation d'une jonction tunnel 10 dont la température est augmentée par effet Joule généré par un courant de chauffage traversant la jonction 10. Le courant de chauffage est contrôlé par les tensions appliquées au conducteur de ligne 5 correspondant, aux conducteurs de grille 6 et 8 et aux conducteurs de grille 7 et 15 associés. Lorsque le courant de chauffage est supérieur au courant de saturation d'un transistor 11 ou 16, les deux transistors 11 et 16 associés sont utilisés. La valeur maximale du courant de chauffage nécessaire au cours de l'écriture détermine la taille des transistors 11 et 16 et, ainsi, le nombre de cellules 2 par unité de longueur de colonne suivant l'axe Y.

[0019] Sur les figures 5 et 6, un conducteur de courant 19 est disposé entre les jonctions tunnel magnétiques 10 de la colonne de cellules 4 associée et le substrat 1. Les interconnexions 17 entre la jonction tunnel 10 et les transistors 11 et 16 sont alors décalées latéralement par rapport à la jonction tunnel 10 et au conducteur de courant 19 correspondant, qui sont alignés selon l'axe Z. Les conducteurs de courant 19 sont, de préférence, disposés très près des jonctions tunnel 10 afin de maximiser le champ magnétique agissant sur les jonctions 10. Par ailleurs, le courant parcourant un conducteur de courant 19 génère de la chaleur par effet Joule dans le conducteur de courant 19, ce qui permet de chauffer davantage la jonction tunnel 10 lors de l'écriture ou au moins de réduire les pertes thermiques. Ainsi, la résistivité du matériau des conducteurs de courant 19 est choisi de manière à maximiser l'effet Joule, sans, cependant, dépasser une tension maximum appropriée.

[0020] Sur la figure 6, deux jonctions tunnel magnétiques adjacentes 10a et 10b d'une ligne de cellules 3 sont connectées au conducteur de ligne 5 associé par l'intermédiaire d'une couche métallique commune 21ab et par une interconnexion commune 22ab. La couche métallique commune 21 (21ab, 21cd) est, de préférence, constituée par un matériau ayant une conductivité électrique élevée, par exemple par du cuivre ou de l'aluminium. Ainsi, lorsque les deux jonctions correspondantes 10a et 10b sont simultanément parcourues par des courants électriques respectifs, la chaleur dissipée dans l'interconnexion commune 22ab est proportionnelle au carré de la somme des courants ce qui permet de chauffer davantage les jonctions tunnel pendant les phases d'écriture sans augmenter le courant de chauffage passant par chaque jonction tunnel 10. Le nombre de jonctions tunnel magnétiques adjacentes 10 regroupées par l'intermédiaire d'une couche métallique commune 21 et par une interconnexion commune 22 peut être supérieur à deux et choisi, en combinaison avec la résistance Rv de l'interconnexion commune 22, de manière à ce que la chaleur dissipée dans l'interconnexion commune 22 soit comparable à la chaleur dissipée dans la jonction 10. Il est possible d'écrire dans une cellule ou dans plusieurs cellules simultanément. L'augmentation de la température de la jonction 10, due à la chaleur dissipée dans l'interconnexion commune 22ab, lors d'une phase d'écriture, permet de réduire le courant de chauffage et, ainsi, de concevoir des transistors de plus faible taille, ce qui permet d'augmenter le nombre de cellules 2 par unité de longueur de colonne suivant l'axe Y.

[0021] Lors d'une phase de lecture, il est possible d'activer simultanément les conducteurs de grille 7 et/ou 15 de plusieurs cellules regroupées ou d'activer uniquement les conducteurs de grille 7 et/ou 15 d'une seule cellule 2.

[0022] Quel que soit le mode de réalisation, la mémoire comporte, de préférence, comme représenté, à titre d'exemple, à la figure 5, un matériau isolant 23 de scellement recouvrant au moins la matrice de cellules 2, les conducteurs de colonne 6 et 8 et les conducteurs de courant 19 et pouvant même enrober les conducteurs de ligne 5 comme illustré à la figure 6. Le matériau isolant 23 de scellement a une conductivité thermique faible permettant, lors d'une étape d'écriture assistée thermiquement, de confiner la chaleur et, ainsi, d'obtenir une température augmentée donnée avec un courant de chauffage réduit. Le matériau isolant 23 est, par exemple, de la silice SiO₂ dont la conductivité thermique est de 1,4W/mK.

Revendications

1. Mémoire vive magnétorésistive comportant, sur un substrat semiconducteur (1), une matrice de cellules (2) agencées en lignes (3) et en colonnes (4) et destinées chacune à stocker un bit d'information, chaque cellule (2b) d'une colonne (4b) comportant une jonction tunnel magnétique (10b) ayant une borne de ligne et une borne de colonne (9b) reliées respectivement à un conducteur de ligne (5) et, par l'intermédiaire d'un transistor (16b), muni d'une grille et de première (13b) et seconde électrodes, à un premier conducteur de colonne (6ab), associé à ladite colonne (4b) et à une première colonne adjacente (4a), la grille du transistor étant connectée à un conducteur de grille (7b), mémoire caractérisée en ce que la borne de colonne (9b) de chaque jonction tunnel (10b) d'une colonne (4b) est connectée, par l'intermédiaire d'un transistor supplémentaire (11b), muni d'une grille (12b) et de première (13b) et seconde électrodes (14b), à un second conducteur de colonne (8bc), la grille (12b) du transistor supplémentaire (11b) étant connectée à un conducteur de grille supplémentaire (15b).

2. Mémoire selon la revendication 1, caractérisée en ce que, la matrice de cellules (2) comportant des colonnes centrales (4b) et deux colonnes d'extrémité (4a, 4d), le second conducteur (8bc) de chaque colonne centrale (4b) est associé à ladite colonne (4b) et à une seconde colonne adjacente (4c).

3. Mémoire selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les conducteurs de grille (7, 15) sont parallèles au conducteur de colonne (6, 8).

4. Mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les deux transistors (16b, 11b) associés à une cellule (2b) ont une première électrode (13b) commune.

5. Mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que deux transistors adjacents (11 b, 16c) associés respectivement à deux cellules adjacentes (2b, 2c) d'une ligne (3) de cellules (2) ont une seconde électrode (14b) commune.

6. Mémoire selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un conducteur de colonne (8bc) intègre une colonne de secondes électrodes (14b) communes.

7. Mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'une jonction tunnel magnétique (10) est connectée au conducteur de ligne (5) correspondant et aux transistors (11, 16) associés par l'intermédiaire d'interconnexions (17) et de couches métalliques (18).

8. Mémoire selon la revendication 7, caractérisée en ce que les interconnexions (17) comportent une couche de matériau ayant une conductivité thermique faible.

9. Mémoire selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que la jonction tunnel magnétique (10) d'une cellule (2), une électrode (13) de transistor, les interconnexions (17) et les couches métalliques (18) associées sont alignées selon un axe (Z) perpendiculaire au substrat (1).

10. Mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de conducteurs de courant (19) parallèles, isolés électriquement des jonctions tunnel magnétiques (10), associés chacun à une colonne (4) de cellules (2) et disposés de manière à pouvoir créer un champ magnétique à l'emplacement des jonctions tunnel magnétiques (10) des cellules (2) de la colonne (4) associée.

11. Mémoire selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'un conducteur de courant (19) comporte un revêtement ferromagnétique (20).

12. Mémoire selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce qu'un conducteur de courant (19) est disposé entre les jonctions tunnel magnétiques (10) de la colonne (4) de cellules (2) associée et le substrat (1).

13. Mémoire selon l'une quelconque des revendication 1 à 8 et 10 à 12, caractérisée en ce qu'au moins deux jonctions tunnel magnétiques (10a, 10b) adjacentes d'une ligne (3) de cellules (2) sont connectées au conducteur de ligne (5) par l'intermédiaire d'une couche métallique commune (21ab) et par une interconnexion commune (22ab).

14. Mémoire selon la revendication 13, caractérisée en ce que la couche métallique commune (21ab) est constituée par un matériau ayant une conductivité électrique élevée.

15. Mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comporte un matériau isolant (23) de scellement ayant une conductivité thermique faible et recouvrant au moins la matrice de cellules (2) et les conducteurs de colonne (6, 8).

16. Mémoire selon la revendication 15, caractérisée en ce que le matériau isolant (23) de scellement recouvre les conducteurs de ligne (5).

Dessins